內蒙某快速通道過渡段路基沉降特征成因分析

蔡雙樂　張道金

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI Shuangle　ZHANG Daojin

內蒙某快速通道過渡段路基沉降特征成因分析

蔡雙樂張道金

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI ShuangleZHANG Daojin

摘要根據該段路基沉降病害隨機分布的特點，采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等綜合勘探手段，探查填料性質、壓實密度和基底土質情況，結合設計文件、施工過程資料和現場調查資料，分析沉降病害成因特征，提出加固處理措施建議。

關鍵詞高速鐵路過渡段沉降病害特征成因分析

該線為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路，是我國第一條速度160 km/h預留200 km/h、開行萬噸列車的重載快速鐵路，于2010年建成通車。通車伊始，部分橋路、涵路過渡段即出現持續沉降病害。 2012年7月20日15時～7月21日9時，該線普降大到暴雨，最大連續降雨量達92.2 mm；7月25日1時～8時該地區再次出現強降雨，最大連續降雨量達86.4 mm。兩次強降雨導致沿線局部地段的路基邊坡發生坍塌、排水溝淤堵或被沖毀，在 K50～K140段內的部分橋路、涵路過渡段出現較明顯的下沉，嚴重影響列車安全運營。

1概況

1.1　設計概況

該段路塹與路堤相間分布，土石方調配以移挖作填為原則。路堤與橋臺、路堤與橫向結構物(涵洞)連接處設置過渡段，過渡段為倒梯形(設計時為梯形，施工時均調整為倒梯形)，采用級配碎石填筑。過渡段路堤基床表層為級配碎石，壓實標準應滿足K30≥190 MPa/m和孔隙率n<18%；表層以下以級配碎石分層填筑，鄰近橋臺2 m范圍級配碎石摻5%水泥(圖1、圖2)，填筑壓實標準應滿足K30≥150 MPa/m和孔隙率n<28%[1]。路堤工后沉降量應滿足以下要求：一般地段不應大于15 cm，路橋過渡段不應大于10 cm，年沉降速率不應大于5 cm/年[2]。

圖1　橋路過渡段

圖2　涵路過渡段

1.2　工程地質概況

地貌為高原剝蝕丘陵區，丘坡與谷地相間，地形起伏大，溝谷縱橫，切割強烈，沖溝發育；谷地大部為砂層覆蓋，丘坡及沖溝基巖出露較好，基巖巖性以砂巖、砂礫巖為主，夾泥質粉砂巖、泥巖薄層。

沿線為典型溫帶大陸性季風氣候，具有低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃，平均月最低氣溫為-10～13 ℃，7月平均氣溫為21～25 ℃，全年氣溫日差為11～15 ℃，年差為45～50 ℃。降水量為300～400 mm，全年降水集中在7～9月。蒸發量大，年蒸發量達2 000～3 000 mm。

2過渡段沉降病害特征

K50+000～K159+000區間內橋路過渡段有76處(38座橋梁)，涵路過渡段有156處，共計232處。截止2012年7月底，根據工務部門提供的統計資料，路基與橋梁、路基與涵洞過渡段累計沉降達到100 mm以上的地段約有132處，其中累計沉降達到200 mm以上的地段有24處，見表1。

表1　橋路、涵路過渡段下沉病害情況統計[3]

2.1　沉降病害占比大

從表1可知，路堤與橋梁過渡段下沉嚴重有45處，占該段總橋梁過渡段個數(76個)的59.2%；路堤與涵洞過渡段下沉嚴重有87處，占該段總涵洞過渡段個數(156個)的55.7%；二者占比均超過50%，可見該段橋路、涵路過渡段下沉病害十分嚴重，橋路、涵路過渡段病害不存在個數的系統差異。

2.2　沉降病害分布特征

沉降病害主要發生在K50～K159段，特別集中在K60～K140段，該段地貌為剝蝕丘陵區，沖溝、狹窄谷地發育。線路縱斷面上地面線上下起伏，路塹、路堤頻繁交替，橋路、涵路過渡段眾多。該段路基土石方調配原則是移挖作填，路塹棄方多為泥質砂巖、砂礫巖間夾薄層泥巖，屬B、C組填料。而K60～K140段以外的地段則地形較平坦，路基基床表層以下多采用集中取土場的C組填料。

從微地貌角度，橋路過渡段大多數處于丘坡的斜坡上，而涵路過渡段位于丘坡和谷地區域的數量差不多，所以不具有沉降位置同丘坡、谷地的對應關系，沉降病害與過渡段所處位置的微地貌分布無系統聯系。

2.3　沉降病害沉降量與填高

從對病害路基的高度分析來看，路橋過渡段路基最高約10.0 m，平均高度約4.6 m，相對較低；路涵過渡段路基最高約12.0 m，平均高度約6.0 m，相對較高；橋路過渡段的最大沉降(沉降量300 mm)發生在填高10 m處，涵路過渡段的最大沉降(沉降量350 mm)發生在填高6 m處。根據統計，填高1 m范圍平均沉降量與填高的對應關系曲線如圖3，填高6～7 m時，沉降量最大，小于6 m時，沉降量隨路基填高的增高而增加，大于7 m后基本處于140～160 mm。統計顯示沉降量大小與填高無線性對應關系，具有隨機性。

圖3　過渡段路基填高-沉降量關系曲線

3過渡段病害勘察

在全面分析施工圖設計、竣工資料的基礎上，結合現場實際和地形地貌特點，計劃采用鉆探、代表性橫斷面托軌架梁開挖，全面探查過渡段路基填料的性質(如填料的礫徑、級配、空隙度、密實度、是否存在空洞等)、注漿的效果(漿體的擴散、凝固、膠結等情況)，并配合使用N10和Evd等原位測試以及灌砂法或灌水法等試驗方法進行路基填料密實度檢測；計劃采用地質雷達法[4]全面檢測過渡段道碴厚度及變化情況。

考慮到不能中斷列車的運營，遵循不干擾或少干擾行車的原則，最終采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等勘察手段，探查路堤基床部分和本體部分的填料性質、填筑壓實密度，以及路堤基底的地層分布及特性。

3.1　鉆探

選取填高大、沉降大的典型工點進行鉆探，確定路堤本體部分的填料性質，探查和復核基底地層及特性。分別進行了6處33孔橋路和涵路過渡段邊坡的鉆探工作，6處15孔涵洞處基底鉆探驗證工作。

①基底鉆探揭示，基底地層巖性為稍密—中密的細砂、細園礫土，下伏泥質砂巖、含礫砂巖，未發現軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區，細砂、細園礫土地基基本承載力都在150 kPa以上。

②邊坡鉆探揭示，過渡段填料主要為泥質砂巖、砂巖、礫巖，以及砂類土、圓礫土等，綜合分析屬于B、C組填料，為附近路塹的移挖作填。

3.2　物探-瑞雷面波

采用瑞雷面波進行K60～K140段全部橋路、涵路過渡段檢測，利用面波速度與介質密度、地基系數、路(地)基承載力等之間的相關關系，根據波速定量評判過渡段路基本體填筑的密實程度及均勻程度。

(1)統計經驗公式法

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層195152底層(碎石類)180133底層(礫石類)170120

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層200150底層(碎石類)180136底層(礫石類)170129

(2)類比法

通過對沒有下沉段的測試，取得各層的平均VR，作為該種填料的壓實質量合格臨界值VR0。

VR≥VR0：合格；

VR

根據本線所做的對比試驗，結合統計經驗公式，建議波速200 m/s作為壓實質量合格波速臨界值。過渡段波速在180～200 m/s之間基本穩定時，建議進行過渡段沉降監測；過渡段波速在180 m/s以下時，建議進行過渡段處理。

(3)面波檢測結果

過渡段與區間路基波速無明顯變化，從兩者填料在波速上的反映一致的情況來看，兩者物理性質無明顯區別，基本為一種填料。

部分已注漿段落注漿處理效果較好，但部分段落注漿處理效果不明顯。

根據檢測資料，把過渡段分三種情況：已穩定、基本穩定、不穩定(見表2)。

表2　K60～K140段橋路、涵路過渡段沉降統計匯總

3.3　N10與Evd

對于路基面以下1.2 m范圍內基床表層及基床底層瑞雷面波易失真范圍，采用N10和Evd原位測試手段探測填料的密實度，先后在K71～K95段分別進行了200點/20處的N10、182點/20處的Evd探測。

(1)輕型圓錐動力觸探

利用一定的錘擊能量(錘重10 kg)，將一定規格的圓錐探頭打入土中，根據貫入錘擊數判別土層的類別，確定土的工程性質，對地基土做出綜合評價。

N10測試結果表明，表層0.6 m填料擊數一般在32擊，0.6～0.9 m處擊數一般在30擊，0.9～1.2 m處擊數一般在30擊。按照鐵道部動力觸探技術規定(TBJ18—87)將N10值轉換為承載力σ0(表3)[5]，則σ0可達220 kPa，所以路基0.3～1.2 m深度密實度一般能夠達到要求。

表3　N10與σ0 值轉換

(2)動態變形模量Evd資料整理

Evd主要是對部分累計沉降值較大的橋路和涵路過渡段路堤表層進行測試，測試值在20～40 MPa之間，根據公式(1)計算得出相應的K30值為84.2～154 MPa/m，表明某些沉降段落基床表層密實度較低。

(1)

3.4　檢測結果綜合評價

經過現場調查及測試結果，對過渡段進行綜合分析可得結論如下：

(1)過渡段路基基底地層部分地段為風化巖層，部分地段上覆稍密—中密的細砂層，下伏風化巖層，不存在軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區等，巖土體工程性質較好。

(2)過渡段路基填料主要為泥質砂巖、砂巖、礫巖以及砂類土、圓礫土等，屬于B、C組填料。

(3)路基0.3～1.2 m深度填土密實度一般能夠達到要求，部分沉降嚴重地段表層級配碎石層密實度欠佳。

(4)根據面波檢測成果和沉降觀測等綜合評價，過渡段沉降按不穩定、基本穩定、已穩定三類情況進行分類(見表2)，便于有針對性地采取加固處理措施。

4過渡段病害成因分析

通常認為路基是柔性結構，與橋梁、涵洞等剛性結構相比，自重、強度、沉降控制標準具有較大差異，受到動荷載作用時，橋梁、涵洞與相鄰的路基一般均產生差異沉降，導致軌面不平順。當列車高速通過時，必然會增加列車與線路的振動，引起列車與線路結構相互作用力的增加，影響線路結構的穩定。在路基與橋梁、路基與涵洞之間設置一定長度的過渡段，可使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少相互之間的沉降差，達到降低列車與線路的振動，減緩線路結構的變形，保證列車安全、平穩、舒適運行的目的[7]。

路堤的沉降分為填料本身的沉降和基底附加應力引起的地基沉降兩部分。K50～K159段為剝蝕丘陵區，縱斷面上下起伏，路塹、路堤相間，橋路、涵路過渡段較多。大多數橋路、涵路過渡段落位于山坡斜坡上，基底為風化基巖，谷地地層為上砂下巖結構，現場補充勘探檢測、測試結果與定測勘察資料一致，不存在軟弱土層、空洞和采空區等，所以發生超過設計控制標準的下沉病害主要是由路基本體的沉降引發的。

4.1　填料性質不能滿足相關要求

本線橋路、涵路過渡段按照《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》的要求設計，采用倒體形結構，填筑級配碎石。根據邊坡鉆探資料揭示和瑞雷面波波速反映，過渡段填料與鄰近路堤填料一致，主要采用路塹棄方的移挖作填，為全風化—強風化泥質砂巖、泥質砂礫巖夾薄層泥巖和砂類土的混合物，屬于B、C組填料。過渡段未能按照設計要求采用級配碎石填筑，填料也未能達到《鐵路路基設計規范》最低要求的A組標準。

4.2　壓實度和孔隙率不能滿足相關要求

本標段橋路、涵路過渡段的填土碾壓工作安排在施工工期的尾部，趕工嚴重，部分段落還存在冬季施工，沒有能夠很好地根據填料性質控制填土的分層攤鋪厚度、碾壓機械、碾壓遍數等施工工藝參數，沒有嚴格執行過程監控和質量檢驗程序，使得壓實度、孔隙率達不到設計要求，導致填土本身在列車動荷載作用下震動壓密，出現持續的沉降變形。

4.3　持續集中降雨的影響

氣象資料表明，2012年包西線工程區域連續降雨，7月份出現持續強暴雨，比往年明顯增多。在大量降雨的條件下，雨水沿沉降裂縫、臺背等處下滲，低密實度、含黏粒較多的泥質砂巖，砂礫巖填料自身含水率大大增加，其承載能力降低，在上部車輛震動載荷作用下，產生較大變形，產生蠕變、外擠、邊坡側向下溜；同時，雨水外滲帶走部分細顆粒，使填筑土體更加松散，形成震密效應。汛期集中降雨后雨水下滲是引起路基下沉等病害的外界客觀原因。

4.4　易風化泥質填料性質的影響

該段橋路、涵路過渡段填料以泥質砂巖，砂礫巖為主，該類填料在我國北方雨水稀少時其性質能夠得到一定的保障，但雨水豐足時性質迅速惡化，尤其經過一定時間的環境溫度、雨水等的作用后，物理風化加劇，導致巖塊的軟化和強度降低[8]，處于飽和狀態時在列車動荷載作用下可能突然加速下沉。

5結束語

針對既有線橋路過渡段的沉降病害，目前主要采用注漿加、高壓旋噴樁、基床擠密樁加固等，均不同程度取得一定的成效。為了不影響行車安全，工務部門采取了三種措施：對沉降較小的地段采用墊片找平；對沉降中等嚴重的地段采用補碴調整；對沉降嚴重的地段采用注漿加固。根據檢測結果分析，大部分的過渡段沉降注漿后效果較好，少部分沉降仍然有發展。綜合既有線過渡段沉降加固處理經驗，結合本線特點，建議采取如下措施：

(1)在沉降不太嚴重的地段在兩側路肩及路基邊坡采用注水泥漿的方式進行加固，但應根據現場試驗確定具體注漿方式及詳細參數，并結合檢測報告確定加固長度范圍。

(2)在沉降嚴重并相對持續發展的地段，建議在路基邊坡斜向(5°～15°)打入高壓旋噴樁。

(3)應根據過渡段填料現狀加強基床表層的防水措施，利用天窗時間消除道碴陷槽，增設二布一膜土工布，防止地表雨水的下滲。

參考文獻

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[2]TB 10001—2005鐵路路基設計規范[S]

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[9]王建,等.高速鐵路CFG樁-帽-網結構路基沉降控制的現場試驗研究[J].鐵道勘察，2012(4)

中圖分類號：U216.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0067-04

作者簡介：第一蔡雙樂(1981—)，男，畢業于中國地質大學(北京)土木工程專業，工程師。

收稿日期：2015-03-05